工程結(jié)構(gòu)中新型減隔震支座的研究綜述

徐茂臣，寶音圖

（內(nèi)蒙古大學(xué)，呼和浩特 010020）

1 引言

我國(guó)是世界上遭受地震災(zāi)害較嚴(yán)重的國(guó)家之一。近年來，災(zāi)害性地震給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來了極大的損失。當(dāng)前我國(guó)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的目標(biāo)為“小震不壞、中震可修，大震不倒”，為保證抗震設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)開展消能減震設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可或缺的一環(huán)。消能減震實(shí)質(zhì)上就是地震產(chǎn)生的能量輸入與結(jié)構(gòu)對(duì)輸入能量不斷消散的過程[1]。減隔震支座是一種應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)減震消能的常見方式，設(shè)置減隔震支座的作用就是延長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期，將地震產(chǎn)生的能量不斷消散，保證工程結(jié)構(gòu)的安全[2]。國(guó)內(nèi)外目前常見的減隔震支座有高阻尼支座、擺式滑動(dòng)摩擦支座和鉛芯橡膠支座等，歷經(jīng)多年的研究和工程實(shí)踐，這些支座解決了很多工程結(jié)構(gòu)在減震消能方面的需求。但是，在大跨度斜拉橋、剛構(gòu)橋、地鐵站、隧道等復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)有的減隔震支座不再滿足結(jié)構(gòu)物對(duì)減震消能方面的要求，且現(xiàn)有支座的某些性能缺陷，如疊層橡膠支座豎向抗拉強(qiáng)度低等急需改善[3]。隨著對(duì)減隔震支座的研究不斷深化，近年來涌現(xiàn)出許多新型的消能減震支座，對(duì)工程結(jié)構(gòu)中新型減隔震支座的研究進(jìn)行綜述，有助于讀者發(fā)現(xiàn)減隔震支座的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)幫助工程實(shí)踐人員選擇適合其工程情況的減隔震支座。本文將系統(tǒng)闡述和總結(jié)拉索減震支座、疊層橡膠支座、減震球形支座以及其他新型減隔震支座的研究成果。

2 拉索減震支座

2.1 拉索減震支座的誕生

拉索減震支座的概念由袁萬城[4]等人在2010 年首次提出并申請(qǐng)專利。拉索減震支座是將盆式橡膠支座和限位拉索結(jié)合起來，發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，使得拉索減震支座在水平方向具有較大的變形能力，在豎向有較高的承載力。拉索減震支座克服了阻尼器的耗能能力在進(jìn)入塑性變形之后迅速下降、疊層橡膠支座只適用于中小橋梁和摩擦擺支座在梁端產(chǎn)生豎向變形等缺點(diǎn)。Wei 等[5]對(duì)拉索減震支座在控制主梁位移和限制橋墩的剪力和彎矩的有效性進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)支座隨橋墩高度的降低或橋墩剛度的增加，控制橋墩位移的效果越明顯。黨新志等[6]為了將拉索減震支座的優(yōu)點(diǎn)得以保留又能夠減小地震對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，在拉索減震支座上安裝鋼螺旋彈簧，組成了自復(fù)位拉索減震支座，該支座具有良好的震后復(fù)位作用。許延祺等[7]介紹了拉索摩擦擺支座在強(qiáng)震區(qū)橋梁工程中的應(yīng)用，該支座是在摩擦擺支座的兩側(cè)設(shè)置拉索裝置而形成的減震支座。大震作用下，支座的剪力螺栓剪斷，當(dāng)u＜u0時(shí)（u0為支座隔震位移，u為支座位移），摩擦擺系統(tǒng)消耗能量；當(dāng)u＞u0時(shí)，地震產(chǎn)生的巨大作用力在拉索作用下被墩柱削弱至30%以下，保證了橋墩的安全。

2.2 拉索減震支座的工程中的應(yīng)用

為了保證拉索減震支座能夠應(yīng)對(duì)不同地形條件及對(duì)各種橋梁的適用性，研究人員針對(duì)多種橋梁在安裝拉索減震支座后橋梁的抗震性能進(jìn)行研究。鐘劍等[8]將拉索減震支座應(yīng)用在斜拉橋中，發(fā)現(xiàn)該支座能有效降低主梁位移和塔底彎矩，從而增加橋梁在地震中的穩(wěn)定性。柳春光等[9]針對(duì)拉索減震支座在大跨度斜拉橋上的適用性進(jìn)行研究，采用LS-DYNA 建立了橋梁模型，探討了支座的最佳布置方式以及減隔震效果，指出為了保證橋塔和墩梁的相對(duì)位移在可控范圍內(nèi)，應(yīng)在整個(gè)斜拉橋上均采用拉索減震支座。陳志剛等[10]對(duì)拉索減震支座在剛構(gòu)橋減震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，拉索減震支座可以有效降低橋梁的橫向受力，極大地限制結(jié)構(gòu)橫向移動(dòng)。馬婧等[11]發(fā)現(xiàn)了在深水橋采用拉索減震支座時(shí)，動(dòng)水壓力引起的剪力和彎矩的增加值遠(yuǎn)小于摩擦擺支座的。另外，動(dòng)水壓力會(huì)引起結(jié)構(gòu)墩頂位移，采用拉索減震支座可以有效減少其不利影響。

在拉索減震支座問世的12 年間，科研人員不斷地對(duì)拉索減震支座進(jìn)行革新，并與常用的減震支座進(jìn)行結(jié)合，充分發(fā)揮了拉索減震支座的限位作用和對(duì)各種地形的適用性。拉索減震支座目前較為廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域，未來拉索減震支座宜與其他類型的減震支座進(jìn)行融合，發(fā)揮其在減震消能方向上的優(yōu)點(diǎn)。

3 疊層橡膠支座

3.1 疊層橡膠支座及其衍生支座

疊層橡膠支座是一種由鋼板和橡膠片交替組成的一種具有小的水平剛度、大的水平側(cè)移允許值和較大豎向承載力的支座[12]。疊層橡膠支座廣泛應(yīng)用建筑物的抗震設(shè)計(jì)中，但其仍有許多不足之處有待完善。Wang 等[13]對(duì)疊層橡膠支座布置在鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中時(shí)可能發(fā)生的超低周疲勞破壞進(jìn)行研究，探究發(fā)現(xiàn)錨桿是支座最薄弱的構(gòu)件，增大錨桿的直徑可以增大支座剛度，減緩剛度退化。Wu 等[14]為了使疊層橡膠支座具有三維隔震效果，使用外部約束鋼板代替支座中的水平疊層鋼板，使鋼覆蓋層和橡膠層共同抵抗豎向和水平荷載。Liang 等[15]提出了一種由水平疊層橡膠支座和豎向串聯(lián)的環(huán)形彈簧組成的新型三維隔震支座，該支座具有可靠的連接結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)支座的水平和豎向解耦。Sun 等[16]將具有屈曲能力的鋼板與疊層橡膠支座相結(jié)合組成了一種新型鋼板-疊層橡膠支座，當(dāng)該支座高寬比增加時(shí)，鋼板的剛度、屈曲前后剛度比和臨界屈曲荷載均減小，通過對(duì)支座的耗能、剪切剛度和等效黏滯阻尼系數(shù)等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該支座滿足防震減災(zāi)要求。

3.2 疊層橡膠支座在的工程應(yīng)用及效果評(píng)估

安裝橡膠支座是一種在地上工程結(jié)構(gòu)中廣泛使用的減隔震方法，近年來許多學(xué)者對(duì)橡膠支座在地下工程的適用性進(jìn)行了研究。陳曦等[17]對(duì)近斷層地震發(fā)生時(shí)，地鐵中柱設(shè)置橡膠支座的減震效果進(jìn)行了研究，通過對(duì)減震結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的減震效果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在中柱上安裝橡膠支座使得頂板的內(nèi)力和變形不能有效地傳到中柱上，且支座的整體剛度減小，設(shè)置該支座具有明顯的減震效果。杜修力等[18]對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的支座在地下結(jié)構(gòu)抗震中有一定的差異，相較于鉛芯橡膠支座，疊層橡膠支座有更好的抗震效果。Liu 等[19]以大開地鐵站為例建立了土-結(jié)構(gòu)體系二維有限元模型，與大開車站原結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置橡膠支座的中柱水平變形、剪力和彎矩均有大幅度的減小，采用橡膠支座的地下結(jié)構(gòu)發(fā)生中等到嚴(yán)重破壞的概率大幅降低。

疊層橡膠支座是一種性能良好的支座，可以較為廣泛地應(yīng)用在地上和地下工程結(jié)構(gòu)中。但疊層橡膠在鋼板與橡膠板之間的黏結(jié)力較差，在震動(dòng)時(shí)易發(fā)生破壞。對(duì)鋼板與橡膠板之間黏結(jié)技術(shù)的研究或?qū)⒊蔀榀B層橡膠支座研究的新方向，且隨著我國(guó)對(duì)大型工程結(jié)構(gòu)的需求不斷加大，適用于大型工程結(jié)構(gòu)的大型疊層橡膠支座的研發(fā)與應(yīng)用有待完善[20]。

4 球形支座

球形支座是一種由盆式橡膠支座發(fā)展而來的新型支座，發(fā)揮了盆式橡膠支座承載力大、位移大的特點(diǎn)，使其具有傳力可靠、各方向轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致和允許水平位移大的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大轉(zhuǎn)角支座、大跨徑橋梁和低溫地區(qū)的橋梁工程中[21]。Ma等[22]對(duì)球形抗震支座的隨機(jī)震動(dòng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，擺鏡系統(tǒng)的頻率為20～200 Hz 時(shí)無破壞共振，加速度響應(yīng)曲線和應(yīng)力響應(yīng)曲線均有波動(dòng)，但最終下降趨于穩(wěn)定。Liu 等[23]通過將相關(guān)性和靈敏度分析相結(jié)合的方法對(duì)球形支座的工作機(jī)理和損傷機(jī)理進(jìn)行了研究。陳金順等[24]闡述了雙曲面球形減震支座的構(gòu)造及工作原理。該支座既能夠保證正常使用時(shí)的位移要求，又能延長(zhǎng)地震周期，減小地震力；阻尼裝置在一定程度上可以減小支撐面的相對(duì)變形。張永亮等[25]研究了雙曲面球型支座球面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和溫變間隙對(duì)長(zhǎng)聯(lián)連續(xù)梁橋的影響。Ozkaya 等[26]研發(fā)了一種由鋼筋和多層橡膠支座組成，中心孔內(nèi)填有小直徑鋼珠的新型球形橡膠支座。該支座由于添加了鋼珠，有效增加了彈性軸承的能量耗散作用、水平和垂直剛度，并且該支座的能量耗散能力不會(huì)隨著加載周期的增加而降低。Peng 等[27]研究了一種雙球面隔震支座（DSSI），該支座可以有效增加豎向承載力，減少豎向位移，具有一定的控制能量耗散的能力。徐瑞祥等[28]以球型鋼支座為基礎(chǔ)研究出一種新型斜面導(dǎo)向自復(fù)位支座，該支座良好的減隔震和自復(fù)位性能，可顯著降低墩頂水平力，減小墩底彎矩，減震效果明顯，且具有較小的殘余位移。宋力勛[29]研發(fā)出一種適用于軌道交通的新型球形減震支座。這種支座具有較小的水平尺寸，節(jié)省了布置空間和造價(jià)，而支座的水平承載力和抗拉拔承載力也能滿足要求。

抗震球形支座是一種目前世界上使用比較廣泛的支座形式，對(duì)連續(xù)彎板結(jié)構(gòu)、大跨度斜拉橋等大跨徑結(jié)構(gòu)具有良好的適用性。今后的研究方向可以向地鐵站等地下工程的大跨徑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)傾斜，突破地下工程結(jié)構(gòu)抗震的難題。

5 結(jié)論與展望

1）拉索減震支座的水平位移大、豎向承載力高、拉索的限位作用顯著。隨著橋墩高度的降低以及剛度的增加，拉索限位作用會(huì)有所提高自復(fù)位拉索減震支座和緩沖型拉索減震支座也可以提高支座的限位作用。當(dāng)拉索采用柔性鋼絲繩材料時(shí)，可以輕易改變支座的自由滑動(dòng)形成。拉索減震支座對(duì)各種地形都有良好的適應(yīng)性，將其應(yīng)用于斜拉橋、高架橋和剛構(gòu)橋中，均表現(xiàn)出了良好的減震效果。未來可以圍繞拉索減震支座對(duì)結(jié)構(gòu)豎向受力的影響以及與其他支座相結(jié)合等方向開展研究。

2）疊層橡膠支座在地下工程、橋梁工程以及地上結(jié)構(gòu)抗震中使用較為廣泛。該支座的豎向的剛度和承載力很大，水平方向的剛度較小、側(cè)移允許值大，具有良好的抗震性能。但其鋼板與橡膠板之間的黏結(jié)較弱，支座抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)需要科研人員進(jìn)一步改進(jìn)。

3）球型抗震支座具有可靠的傳力體系，在所有方向上轉(zhuǎn)動(dòng)性能一致，經(jīng)過優(yōu)化后重量減輕，最大應(yīng)力減小且分布均勻。各種新型球形支座在保留傳統(tǒng)球形支座的優(yōu)點(diǎn)下進(jìn)行改善，可以限制支座變形，提高水平承載力和抗拔能力，具有可變剛度高、自復(fù)位能力強(qiáng)和減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，還具有周期延長(zhǎng)和能量耗散等功能。未來可以針對(duì)支座限位以及對(duì)地形地質(zhì)的適用性進(jìn)行研究。